仿生飞行器
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的潜在的科学数据收集能力包括高分辨率
环境相机影像、空气测量、磁场测量、通 信中继发射/接收、大气探测、立标。
Fig12. SSA的通信/数据传输
谢谢！
Fig4.锂电池薄膜
以工作在一个宽的温度范围内，而且使用 上万次的充电/放电循环几乎没有容量的损 失。薄膜电池的生产是通过沉积多种材料 层、阴极、电解质、阳极和集电器到衬底 上。阴极材料（氧化镁，氧化钴或氧化钇） 的差异造成了不同类型锂离子电池之间的 主要不同。SSA的主要材料是离子聚合金 属复合物（IPMC）。 IPMC能展示出大幅 度的动力形变如果位于一个时变的电
Fig7.初始综合和控制测试装置
装置的组成如图7所示。最后，用IPMC作 为基础衬底，通过在衬底材料上沉积每种 元件材料层来构造SSA的电位存在。这种 方法将使质量达到最小，并且形成一个真 正的集成结构。
飞行器的运行
飞行器的独特材料成分使其两翼能够做出 挥动动作，成为其主要的行进推动方式， 除去了对于常规动力系统的需要。飞行器 的飞行运动由间歇性的两翼挥动和周期性 的滑翔组成。在两翼挥动运动期间，飞行 器将获得高度。然后，在滑翔运动期间， 将向下滑翔到开始时的高度。这一循环过 程如图8所示。由于对机翼面积单位负载的
同大小的SSA得出。这些结果基于一个能 量优化，在感兴趣的行星超过一定高度范 围执行时挥动率，持续时间和滑翔持续时 间之间的能量优化。这个能量平衡分析显 示其在金星和地球有着广阔的工作范围。 在火星的工作范围是最小的并且SSA的体 积要求也非常的大。这些结果的摘要信息 如图11所示。
从行星探索到快速展开的地球观测和通 信系统SSA有着大量的潜在应用。通过在
这允许高强度的固定电动势区域的生成， 从而为电离提供了源极。一个IPMC分层结 构的图被展示，如图6所示。
Fig6.IPMC材料的内部结构
当施加一个电场时，IPMC将转向阳极。这 种运动的产生是由于材料内部的离子迁移。 材料的一边扩大，另一边缩短。由于材料 内部的离子运动，从而产生弯曲运动。材 料内部的水分是离子形成并且发生材料内 应变从而产生运动的关键。水分的缺少将 极大地降低材料性能。因此材料水分渗漏 是SSA发展中的一个关键性问题，特别是 在干燥环境中使用时。减少或消除材料水 分的流失先采用水合的方法，然
Fig8.拍动-滑翔周期飞行纵断图
估计，飞行器能够滑翔一段时间并且利用
翅膀的挥动恢复下降的高度。挥动时间和 滑翔时间的比值将取决于可用功率、功率 消耗率和飞行条件。挥动和滑翔比率是飞 行器最优化的一个关键方面。可以采用滑 翔时间和挥动时间的不同组合。在滑翔期 间，两翼的形状可以改变使飞行器能够操 纵和控制。这种控制机制和鸟的滑翔相似， 改变攻击的迎角或者两翼的形状以产生基 于两翼的指定性升降。这种在形状上
Fig1.固态飞行器概念的艺术描述
通过沿着飞行器翅膀方向设置的一个电磁 场（EMF），存储的动力被用于飞行器的 飞行。由离子聚合金属复合物（IPMC）合 成的肌肉组成的翅膀在电磁场区域会产生 弯曲，从而出现想得到的挥动运动。
这种多种元件材料的分层如图2所示。飞 行器将模仿鹰的飞行方式。大部分时间其 以滑翔的方式飞行，偶尔拍打翅膀来恢复 飞行高度。飞行器的固态特性使其非常的 结实，并甚为轻便，能够以不同于当今的 任何一种飞行器的飞行方式进行飞行。
Fra Baidu bibliotek
产生重要的影响。接下来的主要元件是电
池薄膜或电容器。轻便的能量存储是SSA 运行的关键。由于两翼的运动，在每次挥
动循环中输出能量都将明显地改变。因此
能量存储必须被采用以校准变化并且为两 翼提供持续的能量。在SSA滑翔的同时， 也是靠有效的能量存储，太阳能电池阵列
产生的能量才能够存储并利用于接下一次 的挥动循环。超级电容（Supercapacitor） 能够提供低容量、高脉冲功率来管理滑翔 和挥动两翼的交替地关联加载。这些设备
Fig9. 机翼上下行过程受力分析
最小的能量消耗。质量最小化也是与IPMC 材料性质相适合的，两翼将有一个薄的横 截面。针对两翼的挥动，机翼的整体形状 将得到优化。最初的机翼设计点是以翼龙 为基础的，如图10所示。翼龙是曾经生活 在地球上的最大的飞行生物，它的薄膜翅 膀和可估计两翼单位面积负载与SSA的情 况极为相似。正因为这点以及大自然有办 法找到优化设计外形的现实，对于SSA的 机翼的设计，翼龙是一个很好的出发点。
的改变可以通过由计算机控制的点阵电极
获得。改变电位覆盖这一点阵，导致裁剪 电场形成，使两翼产生不均匀的弯曲。两 翼间的升降变化被用来操纵和控制飞行器。 两翼在上下行过程中所承受的力矢量如图9 所示。像自然界中所有扑翼的飞行生物一 样，SSA运行在低雷诺数的飞行状态内。 这主要是由于它的低翼装载和高空操作的 潜力，在高空中空气密度是较低的。选择 正确的两翼形状和机翼性质将是一个关键 问题，以提供良好的空气动力性能和
场内。一个1厘米宽、4厘米长、0.2厘米厚 的材料带的例子被展示，如图5所示。这组
连续相片说明该材料在一个存在的电场中 具有非常巨大的形变能力（高达4厘米）。 在这个例子中运动的时间是0.5秒，实用电 压为2伏特。具体运动情况如图5所示。相 反地，如果IPMC材料由于外力产生变形，
它将引起一个动态的电场与其本身所连接 的电极产生的电场所交叉。这是进入SSA 控制模式的一个关键因素。
Fig3.薄膜阵列
效率和单位功率的太阳能电池薄膜已经存
在，这将允许SSA原型的发展。最成熟的 薄膜技术是三倍连接的（triple junction）非 晶硅单元，以1.27E-4毫米的不锈钢作为衬 底。相似设计单元也已经在2.54E-4毫米厚 的聚酰亚胺（Kapton）薄膜上得以实现。
作为衬底使用的聚酰亚胺提供的功率系数 值大于1kW/kg。在未来的十到二十年里， 新型原料如碲化镉（CdTe）将能够提供效 率接近20%的薄膜阵列。这种类型的轻质 高效太阳能电池阵列对制造SSA的能力将
Fig10. 翼龙的艺术描述
另外太阳是主要的能量来源，飞行器需
要在有充足有效的太阳辐射的位置运行。 然而，这也意味着氧气是不被飞行器运行 所需要的。这是一个巨大的好处，与传统 动力的飞行器相比较，可以应用于地球的 以外的大气。潜在地，那些有大气的太阳 系的带内行星（金星，地球和火星）将可 以放置这种类型的飞行器。一个评估被展 示以确定这一概念可以被应用在哪里以及 高空飞行范围将是多少。初始结果通过不
仿生飞行器
——“solid-state” aircraft
简介 部件材料 飞行器的运行
简介
近年来随着光电材料，电池材料和聚合 材料的发展，一种独特的无人驾驶飞行器 由想象变为可行。这是一种“固态”飞行 器（SSA）。这一概念的艺术描述如图1所 示。它的独特结构融合了空气动力升力、 推进力、能量汇集，以及能量存储和控制。 太阳能电池阵列薄膜用来收集阳光生成动 力，动力再存储在锂电池薄膜之中。
Fig11. 各种大小SSA的飞行高度范围
SSA的下侧集成一个薄膜天线，就可以实 现飞行器与地面之间的通信。很明显金属
天线技术也允许在飞行器表面的太阳能电 池阵列上面配置天线。这又使得SSA能够 与卫星进行通信。这种性能的一个说明被 展示如图12所示。这些天线也可以用作科 学数据收集，通过探测大气的方式。其他
后使用不透水涂层密封。另一个选择是利用 一种不同类型的离子液体代替水，该液体 不容易流失或蒸发。
SSA概念可行性的一个关键方面是这三 种主要元件在一种单独的复合物中的成功 集成。集成必须在一种方式完成，允许每 种元件有计划的运作并且为IPMC提供控制。 最初元件材料的综合将被完成，以证明材 料协同运作的能力，同时提供一种方法决 定IPMC的控制模式。初始的集成装置将由 一个非晶硅薄膜阵列、一个外部的电池控 制器和一段IPMC材料薄片组成。该
有非常高的峰值功率容量，能够经得起挥 动两翼所需的上百万次的电荷放电循环。
带有大约10kW/kg能量密度的超级电容 是可以在市场上买到的。这种超级电容的 潜在候选是一种新开发的基于聚合物介电 薄膜的薄膜电容器。另一个选择是利用采 用锂离子或者锂聚合物电池薄膜的新兴技 术 。这种类型的电池是可再充电的、轻便 的、灵活可塑造的，如图4所示。其可以快 速的充电放电，有一个记录贮藏寿命，可
Fig5.时变电场内的材料带变化
可以使用离子交换薄膜构成IPMC材料。 这涉及到一种材料，通常是一种聚合物，
用来选择性的传递单独电荷的离子（阳离 子或阴离子）。IPMC的构造是首先对在离 子交换薄膜上的导电涂层进行分层，然后
在导电涂层的不同位置上放置电极。导电
涂层被设计成这样以便于扩展到聚合物。
当前生产制造这种飞行器的技术是存在的。 最近几年，制造飞行器的三种主要元件 （光电阵列薄膜，电池薄膜，聚合复合材 料）其各自领域都取得了极大的进步。正 是因为这些进步使得这种飞行器现在能够 得以实现。
部件材料
飞行器的动力源是一个光电阵列薄膜，如 图3所示。这种类型的阵列对于SSA是理想 的。该薄膜可塑造、能变形、质量轻并且 能够制造在多种衬底材料上。薄膜阵列中 的活性物质大约为1到2微米厚，现代的生 产效率大约是8%，这取决于所使用的转换 材料的类型。SSA能够容易地吸取当前光 电阵列空间薄膜的发展成果的优势。足够
Fig2.固态飞行器（SSA）的元件布置
这种方式的飞行器有着巨大的应用潜力，
可以作为一个对地球和其它行星体的研究 平台。因为设计相对质量较小、灵活性高， 这种飞行器对于行星探索是理想的。这些 特征使得飞行器容易装载和发射在最小的 消耗下。很可能，一队这样的飞行器在某 颗行星的大气内展开，用作全面综合的科 学数据采集和观测或者作为通信平台。一 个完整的行星科学采集或通信导航体系就 能够被建立通过这些轻便的、容易部署使 用的、坚固的飞行器。
环境相机影像、空气测量、磁场测量、通 信中继发射/接收、大气探测、立标。
Fig12. SSA的通信/数据传输
谢谢！
Fig4.锂电池薄膜
以工作在一个宽的温度范围内，而且使用 上万次的充电/放电循环几乎没有容量的损 失。薄膜电池的生产是通过沉积多种材料 层、阴极、电解质、阳极和集电器到衬底 上。阴极材料（氧化镁，氧化钴或氧化钇） 的差异造成了不同类型锂离子电池之间的 主要不同。SSA的主要材料是离子聚合金 属复合物（IPMC）。 IPMC能展示出大幅 度的动力形变如果位于一个时变的电
Fig7.初始综合和控制测试装置
装置的组成如图7所示。最后，用IPMC作 为基础衬底，通过在衬底材料上沉积每种 元件材料层来构造SSA的电位存在。这种 方法将使质量达到最小，并且形成一个真 正的集成结构。
飞行器的运行
飞行器的独特材料成分使其两翼能够做出 挥动动作，成为其主要的行进推动方式， 除去了对于常规动力系统的需要。飞行器 的飞行运动由间歇性的两翼挥动和周期性 的滑翔组成。在两翼挥动运动期间，飞行 器将获得高度。然后，在滑翔运动期间， 将向下滑翔到开始时的高度。这一循环过 程如图8所示。由于对机翼面积单位负载的
同大小的SSA得出。这些结果基于一个能 量优化，在感兴趣的行星超过一定高度范 围执行时挥动率，持续时间和滑翔持续时 间之间的能量优化。这个能量平衡分析显 示其在金星和地球有着广阔的工作范围。 在火星的工作范围是最小的并且SSA的体 积要求也非常的大。这些结果的摘要信息 如图11所示。
从行星探索到快速展开的地球观测和通 信系统SSA有着大量的潜在应用。通过在
这允许高强度的固定电动势区域的生成， 从而为电离提供了源极。一个IPMC分层结 构的图被展示，如图6所示。
Fig6.IPMC材料的内部结构
当施加一个电场时，IPMC将转向阳极。这 种运动的产生是由于材料内部的离子迁移。 材料的一边扩大，另一边缩短。由于材料 内部的离子运动，从而产生弯曲运动。材 料内部的水分是离子形成并且发生材料内 应变从而产生运动的关键。水分的缺少将 极大地降低材料性能。因此材料水分渗漏 是SSA发展中的一个关键性问题，特别是 在干燥环境中使用时。减少或消除材料水 分的流失先采用水合的方法，然
Fig8.拍动-滑翔周期飞行纵断图
估计，飞行器能够滑翔一段时间并且利用
翅膀的挥动恢复下降的高度。挥动时间和 滑翔时间的比值将取决于可用功率、功率 消耗率和飞行条件。挥动和滑翔比率是飞 行器最优化的一个关键方面。可以采用滑 翔时间和挥动时间的不同组合。在滑翔期 间，两翼的形状可以改变使飞行器能够操 纵和控制。这种控制机制和鸟的滑翔相似， 改变攻击的迎角或者两翼的形状以产生基 于两翼的指定性升降。这种在形状上
Fig1.固态飞行器概念的艺术描述
通过沿着飞行器翅膀方向设置的一个电磁 场（EMF），存储的动力被用于飞行器的 飞行。由离子聚合金属复合物（IPMC）合 成的肌肉组成的翅膀在电磁场区域会产生 弯曲，从而出现想得到的挥动运动。
这种多种元件材料的分层如图2所示。飞 行器将模仿鹰的飞行方式。大部分时间其 以滑翔的方式飞行，偶尔拍打翅膀来恢复 飞行高度。飞行器的固态特性使其非常的 结实，并甚为轻便，能够以不同于当今的 任何一种飞行器的飞行方式进行飞行。
Fra Baidu bibliotek
产生重要的影响。接下来的主要元件是电
池薄膜或电容器。轻便的能量存储是SSA 运行的关键。由于两翼的运动，在每次挥
动循环中输出能量都将明显地改变。因此
能量存储必须被采用以校准变化并且为两 翼提供持续的能量。在SSA滑翔的同时， 也是靠有效的能量存储，太阳能电池阵列
产生的能量才能够存储并利用于接下一次 的挥动循环。超级电容（Supercapacitor） 能够提供低容量、高脉冲功率来管理滑翔 和挥动两翼的交替地关联加载。这些设备
Fig9. 机翼上下行过程受力分析
最小的能量消耗。质量最小化也是与IPMC 材料性质相适合的，两翼将有一个薄的横 截面。针对两翼的挥动，机翼的整体形状 将得到优化。最初的机翼设计点是以翼龙 为基础的，如图10所示。翼龙是曾经生活 在地球上的最大的飞行生物，它的薄膜翅 膀和可估计两翼单位面积负载与SSA的情 况极为相似。正因为这点以及大自然有办 法找到优化设计外形的现实，对于SSA的 机翼的设计，翼龙是一个很好的出发点。
的改变可以通过由计算机控制的点阵电极
获得。改变电位覆盖这一点阵，导致裁剪 电场形成，使两翼产生不均匀的弯曲。两 翼间的升降变化被用来操纵和控制飞行器。 两翼在上下行过程中所承受的力矢量如图9 所示。像自然界中所有扑翼的飞行生物一 样，SSA运行在低雷诺数的飞行状态内。 这主要是由于它的低翼装载和高空操作的 潜力，在高空中空气密度是较低的。选择 正确的两翼形状和机翼性质将是一个关键 问题，以提供良好的空气动力性能和
场内。一个1厘米宽、4厘米长、0.2厘米厚 的材料带的例子被展示，如图5所示。这组
连续相片说明该材料在一个存在的电场中 具有非常巨大的形变能力（高达4厘米）。 在这个例子中运动的时间是0.5秒，实用电 压为2伏特。具体运动情况如图5所示。相 反地，如果IPMC材料由于外力产生变形，
它将引起一个动态的电场与其本身所连接 的电极产生的电场所交叉。这是进入SSA 控制模式的一个关键因素。
Fig3.薄膜阵列
效率和单位功率的太阳能电池薄膜已经存
在，这将允许SSA原型的发展。最成熟的 薄膜技术是三倍连接的（triple junction）非 晶硅单元，以1.27E-4毫米的不锈钢作为衬 底。相似设计单元也已经在2.54E-4毫米厚 的聚酰亚胺（Kapton）薄膜上得以实现。
作为衬底使用的聚酰亚胺提供的功率系数 值大于1kW/kg。在未来的十到二十年里， 新型原料如碲化镉（CdTe）将能够提供效 率接近20%的薄膜阵列。这种类型的轻质 高效太阳能电池阵列对制造SSA的能力将
Fig10. 翼龙的艺术描述
另外太阳是主要的能量来源，飞行器需
要在有充足有效的太阳辐射的位置运行。 然而，这也意味着氧气是不被飞行器运行 所需要的。这是一个巨大的好处，与传统 动力的飞行器相比较，可以应用于地球的 以外的大气。潜在地，那些有大气的太阳 系的带内行星（金星，地球和火星）将可 以放置这种类型的飞行器。一个评估被展 示以确定这一概念可以被应用在哪里以及 高空飞行范围将是多少。初始结果通过不
仿生飞行器
——“solid-state” aircraft
简介 部件材料 飞行器的运行
简介
近年来随着光电材料，电池材料和聚合 材料的发展，一种独特的无人驾驶飞行器 由想象变为可行。这是一种“固态”飞行 器（SSA）。这一概念的艺术描述如图1所 示。它的独特结构融合了空气动力升力、 推进力、能量汇集，以及能量存储和控制。 太阳能电池阵列薄膜用来收集阳光生成动 力，动力再存储在锂电池薄膜之中。
Fig11. 各种大小SSA的飞行高度范围
SSA的下侧集成一个薄膜天线，就可以实 现飞行器与地面之间的通信。很明显金属
天线技术也允许在飞行器表面的太阳能电 池阵列上面配置天线。这又使得SSA能够 与卫星进行通信。这种性能的一个说明被 展示如图12所示。这些天线也可以用作科 学数据收集，通过探测大气的方式。其他
后使用不透水涂层密封。另一个选择是利用 一种不同类型的离子液体代替水，该液体 不容易流失或蒸发。
SSA概念可行性的一个关键方面是这三 种主要元件在一种单独的复合物中的成功 集成。集成必须在一种方式完成，允许每 种元件有计划的运作并且为IPMC提供控制。 最初元件材料的综合将被完成，以证明材 料协同运作的能力，同时提供一种方法决 定IPMC的控制模式。初始的集成装置将由 一个非晶硅薄膜阵列、一个外部的电池控 制器和一段IPMC材料薄片组成。该
有非常高的峰值功率容量，能够经得起挥 动两翼所需的上百万次的电荷放电循环。
带有大约10kW/kg能量密度的超级电容 是可以在市场上买到的。这种超级电容的 潜在候选是一种新开发的基于聚合物介电 薄膜的薄膜电容器。另一个选择是利用采 用锂离子或者锂聚合物电池薄膜的新兴技 术 。这种类型的电池是可再充电的、轻便 的、灵活可塑造的，如图4所示。其可以快 速的充电放电，有一个记录贮藏寿命，可
Fig5.时变电场内的材料带变化
可以使用离子交换薄膜构成IPMC材料。 这涉及到一种材料，通常是一种聚合物，
用来选择性的传递单独电荷的离子（阳离 子或阴离子）。IPMC的构造是首先对在离 子交换薄膜上的导电涂层进行分层，然后
在导电涂层的不同位置上放置电极。导电
涂层被设计成这样以便于扩展到聚合物。
当前生产制造这种飞行器的技术是存在的。 最近几年，制造飞行器的三种主要元件 （光电阵列薄膜，电池薄膜，聚合复合材 料）其各自领域都取得了极大的进步。正 是因为这些进步使得这种飞行器现在能够 得以实现。
部件材料
飞行器的动力源是一个光电阵列薄膜，如 图3所示。这种类型的阵列对于SSA是理想 的。该薄膜可塑造、能变形、质量轻并且 能够制造在多种衬底材料上。薄膜阵列中 的活性物质大约为1到2微米厚，现代的生 产效率大约是8%，这取决于所使用的转换 材料的类型。SSA能够容易地吸取当前光 电阵列空间薄膜的发展成果的优势。足够
Fig2.固态飞行器（SSA）的元件布置
这种方式的飞行器有着巨大的应用潜力，
可以作为一个对地球和其它行星体的研究 平台。因为设计相对质量较小、灵活性高， 这种飞行器对于行星探索是理想的。这些 特征使得飞行器容易装载和发射在最小的 消耗下。很可能，一队这样的飞行器在某 颗行星的大气内展开，用作全面综合的科 学数据采集和观测或者作为通信平台。一 个完整的行星科学采集或通信导航体系就 能够被建立通过这些轻便的、容易部署使 用的、坚固的飞行器。